Тоньше, легче, дешевле

Что такое органические полупроводники? В чем их преимущества? Какие тут имеются отечественные разработки? Есть ли среди них уникальные? Почему дирижабли вновь могут стать актуальной темой и при чем тут химия? Об этом рассказывает Сергей Пономаренко, директор Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН, член-корреспондент РАН.

— Уже 20 лет вы занимаетесь органическими полупроводниками… 

— Я со своими коллегами начал заниматься органическими полупроводниками в 2001 году, то есть все же уже больше 20 лет назад. В 2011 году в ИСПМ РАН была создана лаборатория функциональных материалов для органической электроники и фотоники, а в 2022 году она превратилась в отдел органической электроники, в которой теперь четыре лаборатории, три из них возглавляют мои ученики. Они уже стали докторами наук. Осталась лаборатория по материалам, которую возглавляет Олег Валентинович Борщев, появилась лаборатория молекулярных сенсорных систем, в которой мы делаем сенсоры на основе органических полупроводников. Ее возглавляет Елена Валериевна Агина. Третья лаборатория —– полимерных солнечных батарей, ее возглавляет Юрий Николаевич Лупоносов. 

Четвертая лаборатория появилась совсем недавно — у Минобрнауки есть целая программа по открытию новых молодежных лабораторий, и мы в рамках этой программы создали молодежную Лабораторию фото- и электрофизики органических полупроводников, которую возглавляет кандидат физ.-мат. наук Андрей Юрьевич Сосорев. Она развивает еще одно направление, связанное с органической электроникой — органические светоизлучающие органические диоды (OLED — organic light emitting diode).

— Расскажите подробнее, что это такое. 

— ОLED (или по-русски ОСИД) — технология, которая используется в современных средствах отображения информации. Экраны смартфонов, телевизоров раньше были жидкокристаллические. Теперь новая технология —основанная на органических светоизлучающих диодах. В чем отличия? Жидкие кристаллы — это пассивная технология, они пропускают свет сквозь себя, а здесь светится сам пиксель, сам экран благодаря явлению электролюминесценции, поскольку там есть органические полупроводники, и некоторые из них могут излучать свет под действием электрического тока. Строится определенная структура, которая отвечает за синий, зеленый, красный свет, из них делается матрица, и создается изображение. 

— Что это значит — органические полупроводники? Почему их называют органическими? 

— Мы привыкли, что полупроводники — это, как правило, кремний или другие неорганические материалы. Органические материалы использовались в качестве диэлектриков. Органические — это те, которые могут состоять из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Как правило, они проявляют диэлектрические свойства. Но оказалось, что могут быть и такие системы, их называют пи-сопряженными, которые проявляют полупроводниковые свойства, либо могут быть проводниками. За это в 2000-м году Нобелевскую премию получили Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава. Некоторые из них — физики, но получили премию по химии «за открытие и разработку проводящих полимеров». С тех пор это направление получило широкое развитие. Когда Нобелевскую премию дают за какое-то открытие, с одной стороны, оно уже привело к развитию целого нового направления, с другой — сразу появляется дополнительный интерес к нему, и его развитие, как правило, ускоряется. Я начал заниматься этим направлением в 2001 году и с тех пор интерес к нему не гаснет, а наоборот, появляется все больше разных применений. 

— А какие еще применения у «органики»? 

— Органические солнечные батареи, органические полевые транзисторы, хемо- и биосенсоры на их основе. Одно из отличий органических полупроводников от кремниевых в том, что они более легкие и тонкие. Например, в органических хемосенсорах используют нанослой органического полупроводника, всего 3 нанометра толщиной. В результате устройства органической электроники могут быть гибкими, полупрозрачными или даже полностью прозрачными. На их основе можно сделать светящиеся экраны, средства отображения информации, стены — то, что вы в фильме «Аватар» наверняка видели. Все эти технологии реализуемы на органических полупроводниках. Еще их много используется в биоэлектронике, например в качестве сенсоров на биологические молекулы, где достигнута рекордная чувствительность, вплоть до одной молекулы в пробе. Из некоторых органических проводников делают имплантаты, которые восстанавливают нервные импульсы, потому что обычные проводники и полупроводники отторгаются организмом — там и механические свойства другие, и ионы металлов могут образовываться, а это небезопасно. А органические полупроводники ближе к биологическим тканям по своей механике, по природе, по химии. Поэтому организм спокойно их воспринимает, не отторгает.

— Такие имплантаты уже где-то делают? 

— Статьи по этому поводу есть. Больше всего итальянцы их продвинули — в плане органической биоэлектроники, на основе проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофена. 

— А в нашей стране? 

— В нашей стране с производством химии есть большие проблемы, но мы сейчас пытаемся их решать с коллегами. В последние годы активно идет импортозамещение — стране понадобились органические полупроводники, люминофоры. Ранее некоторые  технологии органической электроники были закуплены на Западе, но теперь к ним нет расходных материалов. Сейчас мы всё это успешно восстанавливаем и новое придумываем. 

— И что же придумали нового? 

— Молекул много разных, можно много чего придумать, и у нас много чего синтезировано. Если говорить про биоэлектронику: вот мы с вами говорим, а на стене висит постер, обратите внимание: на нем показан ряд органических полупроводников, которые мы использовали как прототип имплантатов для глаза — у них поглощение примерно соответствует спектру чувствительности палочек и колбочек глаза, наших фоторецепторов, отвечающих за цветное зрение. Оказалось, их аналоги тоже можно сделать из органических полупроводников. Итальянцы сначала сделали это на стандартном органическом полупроводнике, который используется в органической фотовольтаике — поли-3-гекситтиофене: они фотоэлемент на его основе встроили в глаз, и оказалось, он тоже может работать вместо фоторецепторов. Есть такие глазные болезни, как ретинит и дегенерация сетчатки, когда пигменты деградировали и больше не фоточувствительны, но нервные клетки еще живы. Пленочку, либо наночастицу органического полупроводника можно имплантировать или просто инжектировать через шприц на клетки глаза — при этом для опытов используются специальные линии слепых с рождения крыс. И они начинают что-то видеть. В нашем случае это не готовое лекарство, это путь, который может привести к созданию имплантатов для восстановления цветного зрения. Мы сделали молекулы, которые по спектру поглощения похожи на чувствительность фоторецепторов глаза, причем не сами молекулы, а наночастицы или пленки из них. И увидели, что есть фотоотклик: можно измерить фототок или фотонапряжение, на которые откликаются нервные клетки. Если развивать это направление, то можно сделать такое лекарство для глаза.  

— Какие еще у вас есть научные планы, что бы вы хотели воплотить? 

— У нас есть грант на крупный научный проект от Минобрнауки, совместно с МИФИ, нацеленный на то, чтобы исследовать возможности получения электроники печатными методами. Такую электронику можно печатать не только из органических полупроводников, но и из неорганических тоже. Наша часть в этом проекте состоит в том, что мы должны разработать чернила для печати из органических полупроводников. Одно из преимуществ органической электроники заключается в том, что можно напечатать практически все. Можно струйный принтер использовать, рулонный метод печати, как печатают плакаты или газеты — не только буквы, но и проводники, полупроводники, диэлектрики, конкретные структуры, транзисторы, микросхемы. 

— Какова цель гранта? 

— Цель этого гранта — показать, как далеко можно в этом направлении продвинуться и сделать что-то полезное. Речь не о том, чтобы заменить кремниевые микропроцессоры: там сложная технология, и свойства кремния уникальны. Но что-то попроще можно повторить, например напечатать радиочастотные метки. Это такие микросхемы, которые мы используем в смарт-картах. Карты для проезда в метро, например, прикладываем при входе — в них микросхема состоит из сотен транзисторов, и эти сотни транзисторов можно напечатать. Мы в свое время похожие работы делали: совместно с немцами и голландцами в 2008 году разработали самоорганизующиеся органические полупроводники, и они их использовали для получения подобных микросхем. 

— Каким образом все это можно будет использовать? 

— Есть уровни готовности технологии, от первого до девятого, где первый — это на уровне идеи, девятый — промышленное производство. Пока мы занимаемся фундаментальными исследованиями, это первые два-три уровня. Есть идея, ее реализация и проверка на лабораторном образце. В рамках этого гранта мы можем только на этих уровнях работать, показать, что это работает: напечатать транзисторы, измерить их характеристики, быть может, какие-то простейшие микросхемы получить. Но наша задача  — разработка материалов. С органической электроникой не все так просто: органических молекул очень много, не все они стабильны, не все показывают высокие характеристики. У полупроводников основная характеристика — подвижность носителей зарядов. Это усредненная скорость, с которой электроны перемещаются в этом полупроводнике. Чем она выше, тем с большей частотой могут работать устройства. При этом частота зависит не только от подвижности: чем меньше расстояние между электродами, тем быстрее работает устройство, но для полупроводника как материала эта характеристика — подвижность — крайне важна. У нас есть уже органические полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда, но их еще нужно научиться печатать. У каждого проекта есть своя научная основа. Просто так гранты не дают: если вы просто хотите что-то новое исследовать, никто денег не даст, нужно доказать, что вы специалист в этой области, вы что-то сделали, у вас уже что-то получилось. 

— Допустим, ваша разработка дошла до девятого уровня, как вы видите возможность ее воплощения? 

— Девятый уровень — и есть воплощение, это промышленное производство. Нам для этого нужно создавать микротоннажное производство. Органических полупроводников много не нужно — я уже говорил, что в органическом транзисторе монослой работает. Из одного грамма органического полупроводника можно получить примерно 100 м2 монослоя. Однако есть методы получения слоев, в которых потери при нанесении слоя достигают 99%. Но в любом случае много органических полупроводников сейчас не нужно — это десятки граммов, может килограммы. При этом стоимость хорошего органического полупроводника на сегодня соизмерима со стоимостью золота. Если его покупать, что нам не очень доступно, себестоимость органической электроники будет очень большая. 

— Но это дорого! А стоимость обычного полупроводника? 

— Обычный кремний гораздо дешевле. Но из кремния не сделаешь гибкую электронику, и кремния нужно больше. Например, для солнечной батареи, чтобы поглотить 90% падающего света, минимальная толщина кремния составляет 3 микрона. А органического полупроводника в органической солнечной батарее достаточно в 30 раз меньше — порядка 100 нанометров, и при этом он будет раз в 100 легче, потому что плотность его существенно меньше. 

— А возможность его удешевить есть? 

— Конечно, по цене золота продаются уникальные органические полупроводники, которые тайваньская фирма синтезирует. У них можно все купить, что напечатано в статьях. Те же солнечные батареи — мы делали оценки с коллегами: для того чтобы это пошло в промышленность, нужно, чтобы они стоили не больше $30 за грамм. 

— Какие ваши современные разработки наиболее актуальны?

— У нас много актуальных разработок. Каждая из лабораторий отдела органической электроники занимается своим направлением: лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников разрабатывает новые полупроводники для органических светодиодов, лаборатория молекулярных сенсорных технологий — газовые и жидкостные сенсоры на основе органических полупроводников. Есть прикладные вещи, которые мы пытаемся создавать. Скажем, электронный нос — прибор, который позволяет определять, например, токсичные газы: что это за газ и в какой концентрации. Либо определять свежесть продуктов. На основе жидкостных сенсоров пытаемся определять вирусы — у нас в прошлом году вышла статья по определению вируса гриппа. Разработана новая платформа, которая позволяет идентифицировать низкие концентрации вируса. По крайней мере, по своей чувствительности она соизмерима с ПЦР, только быстрее. Был и проект по определению Ковида. Это целое направление, его можно реализовывать на разных видах сенсоров. Платформы можно устанавливать в общественных местах: в метро, аэропортах, на вокзалах. 

— Есть ли у вас уникальные разработки? 

— Они все по-своему уникальны. Но что понимать под уникальностью?

— Какие-то идеи, которых больше нигде нет. 

— Есть идеи, обсуждаемые с тем же академиком Музафаровым, чтобы можно было на основе различных разработок института сделать материалы для дирижаблей, оснастить их гибкими солнечными батареями и использовать в логистике. 

— Идея дирижаблей была очень популярна во времена Циолковского, именно за это его полюбила советская власть. Но потом это ушло на задний план, было практически забыто. Сейчас есть возможность возродить? 

— Сейчас есть к этому интерес. Основные проблемы с дирижаблями заключались в том, что есть два газа, на которых он может летать: либо водород, либо гелий. Водород очень дешевый, самый легкий, но взрывоопасный. Его использовали, и на этом погорели. А гелий — совершенно инертный, в два раза тяжелее водорода, но очень дорогой. Его используют сейчас для охлаждения МРТ. Насколько я знаю, подходы, основанные на использовании гелия, чтобы его утечки были маленькими, заключаются в том, что нужны специальные полимерные материалы с барьерными свойствами. Зато это безопасно, он не взорвется. Есть места, где это востребовано: если нужно что-то перевезти на большое расстояние, там, где нет дорог или рек. Есть заинтересованные регионы, готовые развивать эту тематику. 

— Почему дирижабли могут быть кому-то интереснее, чем самолеты? 

— Самолеты — это тоже дорого, там большой расход топлива, не очень большая грузоподъемность. Для него нужны аэродромы, инфраструктура. Для дирижабля все проще. Есть заинтересованные регионы. Мы стараемся им помогать. Но это — в плане идей. А в плане печатной электроники, если мы удачно завершим проект, можно будет печатать микросхемы для логистики. Органические полупроводники востребованы во многих направлениях, и подвижность заряда — одна из важных характеристик. Для чего-то это более важно — для транзисторов это ключевой параметр, для солнечных батарей он не настолько важен. Для сенсоров хорошо, если высокая подвижность. 

— Какая у вас научная мечта? 

— Мне всегда было интересно сделать что-то и показать, что это работает. Нацеленность на практику для меня очень важна. Не просто изучать природу, синтезировать молекулы и искать, где их можно применить, найти, где может быть это применение, организовать небольшое производство. 

— Свечной заводик? 

— Хотя бы. Потребности в органических полупроводниках есть. Или те же солнечные батареи: если их печатать рулонными технологиями, на принтере, то можно очень быстро напечатать их столько, что они закроют все потребности человечества в энергетике. Но есть и проблемы. Основная проблема органических полупроводников — невысокая стабильность, которую решают либо инкапсуляцией, либо поиском более стабильных молекул. Конкретно мои научные идеи связаны с использованием более стабильных органических полупроводников.

— Вы никогда не задумывались о том, что, научившись печатать все на принтерах, мы утрачиваем навыки что-то делать своими руками, а это напрямую связано с нашими интеллектуальными возможностями, и таким образом мы деградируем? 

— Это в целом связано с развитием информационных технологий: у каждого из нас сейчас смартфон, доступ в интернет. Если раньше нас учили, как искать информацию, то сейчас вместо поиска научной информации у нас ее защита: нам нужно защищаться от спама, мошенников, отличать фейки от реальных результатов. Сейчас другие проблемы. Но это проблемы общества в целом, а не проблемы химии. 

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 и всемерной поддержке Физтех-Союза.}